潛油電泵井故障樹分析.doc

第五采油廠 2011年度 采油工程專業(yè)論文潛油電泵井故障系統(tǒng)分析 第五采油廠作業(yè)大隊(duì)電泵隊(duì) 高 克 2011年7月 電泵井故障的類型分析高 克作業(yè)大隊(duì)電泵隊(duì)摘要：隨著油田采油進(jìn)入高含水期，潛油電泵應(yīng)用越來越廣泛，如何減少故障導(dǎo)致的停產(chǎn)和維修等經(jīng)濟(jì)損失的需要越來越迫切，本文全面地分析了歷年來潛油電泵的發(fā)展及研究現(xiàn)狀，從模糊故障分析方面入手。對(duì)潛油電泵系統(tǒng)故障的原因進(jìn)行了詳細(xì)分類及分析；建立了潛油電泵系統(tǒng)故障樹，分析了系統(tǒng)故障的關(guān)鍵因素及重點(diǎn)部位，以便更好的掌握電泵系統(tǒng)故障的重點(diǎn)部位及機(jī)理；應(yīng)用所得的系統(tǒng)故障概率，進(jìn)行了系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)的概率評(píng)價(jià)，通過建立和分析系統(tǒng)故障樹，可以更好的掌握導(dǎo)致系統(tǒng)故障的主要因素；以加強(qiáng)安全防范措施，并使?jié)撚碗姳玫陌踩u(píng)價(jià)在采油生產(chǎn)方面有普遍性的意義。主題詞：潛油電泵井 安全評(píng)價(jià) 1 潛油電泵井現(xiàn)狀及分析評(píng)價(jià)方法1.1 潛油電泵研究的現(xiàn)狀以及本課題研究的意義隨著油田開采進(jìn)入高含水期，潛油電泵系統(tǒng)的綜合故障率并沒有隨著技術(shù)的進(jìn)步而大幅下降。對(duì)于地處千米以下的潛油電泵的故障，目前還是不能很好的進(jìn)行觀測和檢查。經(jīng)過對(duì)潛油電泵研究現(xiàn)狀的分析，我們可以發(fā)現(xiàn)，潛油電泵系統(tǒng)的故障分析如果從系統(tǒng)的角度進(jìn)行考慮，延伸到潛油電泵各子系統(tǒng)；考慮各部分互相影響的作用，使相互獨(dú)立、互不相干的各部分成為一個(gè)整體。有以下幾個(gè)好處：首先，不但可以對(duì)各子系統(tǒng)的故障原因進(jìn)行分類和分析，對(duì)重點(diǎn)故障部位進(jìn)行詳細(xì)的故障原因分析，并且可以提出相應(yīng)的改進(jìn)措施及可行性方案。其次，通過詳細(xì)的故障原因分析，畫出較為詳備和可靠的潛油電泵系統(tǒng)故障圖，進(jìn)行系統(tǒng)故障樹分析，為今后潛油電泵重點(diǎn)部位的革新做好分析工作。最后，根據(jù)潛油電泵系統(tǒng)故障樹的定量分析，可以對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行安全評(píng)價(jià)；可以對(duì)一套正在運(yùn)行的潛油電泵機(jī)組進(jìn)行人-機(jī)-環(huán)境安全性的模糊評(píng)價(jià)，通過評(píng)價(jià)可以對(duì)機(jī)組目前安全運(yùn)行的情況作出一個(gè)全面的評(píng)判。1.2我廠電泵井投產(chǎn)情況概況自1981年大慶油田開始大規(guī)模應(yīng)用潛油電泵技術(shù)，現(xiàn)在全油田共有潛油電泵井2444口，占機(jī)采井總數(shù)的6. 45%；年舉升液量1.53 X 108t，占總舉升液量的34.79% ；年耗電約7.27 X 108kW /h，占油田采油用電的21.38% ，能耗較高。目前，我廠共有電泵井總數(shù)52口、平均單井日產(chǎn)液145t，含水95。97%，泵掛深度870.33m，動(dòng)液面558.93m沉沒度311.40m排量效率107.90%,2010年檢泵周期1735天，平均年檢泵周期1473天，免修期1312天。1.3故障分析法故障分析，簡單地講就是把系統(tǒng)最不希望發(fā)生的故障作為故障分析的目標(biāo)，把選定的系統(tǒng)故障狀態(tài)稱為頂事件，然后找出引起頂事件的底層因素。故障樹分析是一種圖形演繹方法，具有很大的靈活性，其建樹的過程就是一個(gè)對(duì)系統(tǒng)更深入認(rèn)識(shí)的過程，通過建立故障樹模型可以定量計(jì)算復(fù)雜系統(tǒng)發(fā)生事故的概率，為改善和評(píng)價(jià)系統(tǒng)安全性提供定量依據(jù)。1.4 系統(tǒng)安全評(píng)價(jià)安全評(píng)價(jià)也稱危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)或風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，是以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)安全為目的，應(yīng)用安全系統(tǒng)工程原理和工程技術(shù)方法，對(duì)系統(tǒng)中固有或潛在的危險(xiǎn)進(jìn)行定性和定量分析，得出系統(tǒng)發(fā)生危險(xiǎn)的可能性及其后果嚴(yán)重程度的評(píng)價(jià)，通過與評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的比較得出系統(tǒng)的危險(xiǎn)程度，以達(dá)到社會(huì)所要求的安全標(biāo)準(zhǔn)的一種科學(xué)方法。2 潛油電泵系統(tǒng)的故障統(tǒng)計(jì)及分析2.1 潛油電泵機(jī)組的組成及特點(diǎn)潛油電泵是井下工作的多級(jí)離心泵，同油管一起下入井內(nèi)，地面電源通過變壓器、控制屏和潛油電纜將電能輸送給井下潛油電機(jī)，使電機(jī)帶動(dòng)多級(jí)離心泵旋轉(zhuǎn)，將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，把油井中的井液舉升到地面，由以上這些部分共同構(gòu)成了潛油電泵機(jī)組。潛油電泵機(jī)組的特點(diǎn)有：排量范圍大；揚(yáng)程高；可以根據(jù)產(chǎn)液變化要求進(jìn)行變頻調(diào)速；地面設(shè)備占用面積和空間小，適用于海上平臺(tái)；使用壽命長；便于管理；可適用于斜井與水平井。通常潛油電泵機(jī)組主要由三大部分組成，其管柱工作示意圖，如下所示：2.2 一級(jí)故障分析 根據(jù)查閱資料，取樣大慶油田的多個(gè)采油廠自 2002 年 1 月至 2006 年 12 月記為一個(gè)周期的5年期間，共計(jì) 5364 次檢修潛油電泵作業(yè)中發(fā)現(xiàn)的故障及其原因，按故障模式歸類如表所示： 大慶油田02-06年潛油電泵機(jī)組損壞原因比例下面我們根據(jù)電泵的各組成部分可能發(fā)生的故障進(jìn)行列舉，并給出相應(yīng)的解決辦法。2.2.1 潛油泵故障潛油泵是一種多級(jí)離心泵，外型細(xì)長，結(jié)構(gòu)比較特殊，位于潛油電泵系統(tǒng)的最上端，是支撐整套電泵系統(tǒng)重量的主要設(shè)備，也是整個(gè)潛油電泵系統(tǒng)的核心部件。故障原因一般為：油井出砂、結(jié)蠟或結(jié)垢等會(huì)使泵頭和油管內(nèi)腔堵塞，導(dǎo)致泵排量下降，而且砂粒也易進(jìn)入電泵的各個(gè)配合部位，引起卡泵并會(huì)加速泵的磨損，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成泵軸卡死甚至電機(jī)燒毀。葉輪與導(dǎo)殼的過流表面長期在含有砂粒的液體沖刷下，過早的產(chǎn)生嚴(yán)重的磨損，使?jié)撚捅玫男阅芨淖?，?dǎo)致潛油泵嚴(yán)重磨損。若單流閥失效，停機(jī)后管柱內(nèi)砂沉入到泵的葉輪中，造成砂卡泵開機(jī)失效。大曲率斜井段，將會(huì)引起機(jī)組彎曲變形，造成潛油泵軸卡死。由于地層供液不足，會(huì)導(dǎo)致泵的磨損加劇和機(jī)組無液體冷卻，出現(xiàn)局部高溫。改進(jìn)意見：潛油泵要根據(jù)實(shí)際情況，客觀的選擇泵型；施工時(shí)按照規(guī)章，將施工產(chǎn)生的砂、垢清除干凈，減少人為因素導(dǎo)致的泵堵塞或磨損加劇；潛油泵的軸、葉輪、導(dǎo)殼和墊片等應(yīng)該多用一些抗磨，不易受腐蝕的材料或者加強(qiáng)其表面質(zhì)量；泵磨損所產(chǎn)生的劇烈振動(dòng)、甚至泵卡是導(dǎo)致潛油電泵其他部分故障的主要原因，因此，防砂和抗磨損是今后潛油泵改進(jìn)的主要方向。2.2.2 分離器故障油氣分離器位于保護(hù)器和多級(jí)離心泵之間，其主要作用是將混合氣液進(jìn)行氣、液兩相分離，而后使分離出的氣體進(jìn)入油管和套管的環(huán)形空間，分離出的液體則進(jìn)入離心泵。這樣就可以避免氣體對(duì)泵產(chǎn)生氣蝕，減少氣體對(duì)泵工作性能的影響，從而提高泵效和延長泵的使用壽命。導(dǎo)致分離器故障的原因有：地質(zhì)原因地質(zhì)原因中主要是含砂量影響較大，導(dǎo)致的故障模式主要是磨損和堵塞。井液中含有超出工作參數(shù)設(shè)定的雜質(zhì)如砂、垢、水泥塊，而堵塞了分離泵的入口，致使其故障。分離器中含有砂、垢，造成各部件的加速磨損，導(dǎo)致分離器故障。由于分離器葉輪驅(qū)動(dòng)井液作高速旋轉(zhuǎn)，井液中的砂逐漸腐蝕外殼，導(dǎo)致穿透襯筒，進(jìn)而蝕穿分離器外殼，最后造成分離器斷裂。自身質(zhì)量除了含砂量較大所引起的故障，分離器自身的質(zhì)量問題也是其故障的主要原因。如材料質(zhì)量和加工工藝存在缺陷、分離器軸的加工問題等都會(huì)導(dǎo)致分離器磨損嚴(yán)重、殼體斷裂、軸斷等故障。改進(jìn)意見：除了減少施工時(shí)產(chǎn)生的砂、垢外，可以考慮在分離器吸入口處再多添加一個(gè)小濾網(wǎng)的防砂罩。加強(qiáng)分離器殼體的材料質(zhì)量，也是減少分離器斷裂的主要方法。2.2.3 保護(hù)器故障電機(jī)保護(hù)器是用來保護(hù)潛油電機(jī)在油井內(nèi)正常工作的關(guān)鍵部件，所起的作用是通過隔離井液和為電機(jī)提供電機(jī)潤滑油來保護(hù)潛油電機(jī)。保護(hù)器作為保護(hù)電機(jī)的重要部件，電機(jī)無故障連續(xù)工作的時(shí)間就取決于保護(hù)器工作的可靠性，電機(jī)的許多故障都是直接或間接由保護(hù)器故障引起的。保護(hù)器故障的原因有：磨損磨損是保護(hù)器內(nèi)部故障的原因，如。 保護(hù)器與電機(jī)之間花鍵套磨損。 上保護(hù)器上軸頭處磨損。 潛油泵一旦磨損，就會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)而使保護(hù)器的密封件磨損，使密封失效。地質(zhì)原因由于井內(nèi)工作條件苛刻，所以保護(hù)器最容易出現(xiàn)故障。 由于氣體的影響，造成保護(hù)器進(jìn)水、電機(jī)油變質(zhì)，從而引起的故障。 結(jié)垢嚴(yán)重，使得保護(hù)器失效。周圍的環(huán)境使保護(hù)器殼體蝕穿。使用管理問題使用管理不當(dāng)（主要是經(jīng)常啟、停泵）也非常容易引起保護(hù)器失效。每開停機(jī) 1 次，造成電潛泵保護(hù)器呼吸 1 次，一部分井液隨之進(jìn)入保護(hù)器，頻繁的開停泵后易造成電潛泵保護(hù)器失效，進(jìn)而引起電動(dòng)機(jī)失效；電潛泵多次停泵，保護(hù)器中的電油就會(huì)被大量損耗，井液就會(huì)進(jìn)入電機(jī)，導(dǎo)致電機(jī)絕緣降低而被燒壞。改進(jìn)意見：為了減少保護(hù)器進(jìn)液，首先就要從管理上避免頻繁啟停泵；其次加強(qiáng)殼體表面質(zhì)量，以減少蝕穿等故障發(fā)生；保護(hù)器的安裝也要認(rèn)真，保證軸轉(zhuǎn)動(dòng)靈活；2.2.4 電機(jī)故障電機(jī)故障的主要表現(xiàn)為絕緣材料的老化和擊穿。其原因可歸結(jié)為： 地質(zhì)原因地質(zhì)原因較多，但都會(huì)加速電機(jī)的正常損耗，嚴(yán)重時(shí)會(huì)燒毀電機(jī)，造成電泵井停產(chǎn)。 油層溫度過高，加速了絕緣材料的老化，同時(shí)耐擊穿電壓隨周圍介質(zhì)溫度的升高而降低。 因供液能力不足，導(dǎo)致散熱條件變壞，易造成電機(jī)燒毀。 井下氣體的侵蝕，也會(huì)加速絕緣材料的老化。 高溫和高壓會(huì)使井下液體和氣體的腐蝕作用加劇，從而加速絕緣層的老化。 因泵卡導(dǎo)致的啟動(dòng)扭矩增大，造成啟動(dòng)電流過大，容易燒毀電動(dòng)機(jī)。 泵的砂卡、結(jié)垢都會(huì)導(dǎo)致電機(jī)溫度升高、燒壞。 機(jī)組在通過大曲率斜井段時(shí)容易造成機(jī)組彎曲，而機(jī)組的抗彎能力差，就易引起電動(dòng)機(jī)燒毀等故障 。選擇原因電機(jī)的選擇應(yīng)針對(duì)油井的狀態(tài)客觀選取，而目前常會(huì)發(fā)生因?yàn)殡姍C(jī)選擇有誤（電機(jī)功率過小）而導(dǎo)致電機(jī)故障。如當(dāng)井液密度大、電機(jī)選擇有誤差、電壓低或不平衡時(shí)，都會(huì)造成電機(jī)過載，使電機(jī)過熱而損壞。改進(jìn)意見：選擇電機(jī)的功率一定要與泵配備合理。油井要有足夠的液量冷卻電機(jī)，以減少因高溫?zé)龤щ姍C(jī)的概率。要防止電網(wǎng)波動(dòng)，保護(hù)電機(jī)的正常工作。加強(qiáng)電機(jī)自身的絕緣材料的性能，主要在抗老化、防腐蝕和耐擊穿性方面需要提高。電機(jī)安裝時(shí)，要確保密封可靠、安裝準(zhǔn)確到位，其中冬季施工時(shí)要注意電機(jī)油溫度等因素。修復(fù)機(jī)組要在各項(xiàng)性能檢測完好后才能下井，并應(yīng)注意使用工況和年限問題。3.2.5 電纜等線路故障潛油電纜作為潛油電泵機(jī)組輸送電能的通路部分，長期工作在高溫、高壓和具有腐蝕性氣體的環(huán)境中，較易發(fā)生故障。電纜機(jī)械損傷的原因： 運(yùn)輸途中不注意保護(hù)，易碰撞，使電纜鎧皮損傷，造成電纜不絕緣或擊穿。施工過程中，沒有認(rèn)真執(zhí)行下泵操作規(guī)程或電纜的頻繁起下，使電纜擠壓、刮傷、拉伸、打扭；與潛油電機(jī)連接不當(dāng)，造成電纜損壞。大、小扁電纜的連接處是在現(xiàn)場連接，受施工條件的影響，導(dǎo)致連接處強(qiáng)度低于電纜本身，易被擊穿；電纜頭同電機(jī)頭連接時(shí)，易造成電纜頭密封 O 形密封圈與電機(jī)頭相切，使密封性能變差、絕緣降低，促使機(jī)組不能正常運(yùn)行。引起電纜故障的地質(zhì)原因有： 油層溫度過高，導(dǎo)致電纜絕緣材料失效。 高壓及腐蝕性介質(zhì)造成絕緣和護(hù)套損壞。 流體壓力迅速變化，會(huì)導(dǎo)致電纜膨脹，從而引起絕緣層破裂。 井下氣體進(jìn)入絕緣層與導(dǎo)體之間，會(huì)加速絕緣層老化。 地層供液不足會(huì)導(dǎo)致泵的磨損加劇和機(jī)組無液體冷卻，使動(dòng)力電纜的電氣性能下降。 泵因砂卡，啟動(dòng)扭矩增大，造成啟動(dòng)電流過大，容易擊穿電纜。斜井的井身結(jié)構(gòu)也會(huì)對(duì)電纜造成損壞。改進(jìn)意見：電纜主要應(yīng)該從施工和管理上嚴(yán)格控制操作流程和規(guī)范，以減少人為失誤導(dǎo)致的電纜損傷。電纜頭在現(xiàn)場與電機(jī)安裝時(shí)，要做好密封性，同時(shí)增強(qiáng)抗振性。2.2.6 油管故障油管起著懸掛電潛泵井下機(jī)組的重要作用，故障占總故障數(shù)的 8.06%，可見其故障非常頻繁，且檢查故障需要將油管一根根的提起檢查，非常復(fù)雜。油管的故障主要是油管漏，這主要是由環(huán)境的影響和材料本身的原因所引起的。故在下入潛油電泵機(jī)組之前，應(yīng)仔細(xì)檢查油管的腐蝕程度，以免由于油管穿孔而造成不必要的檢泵作業(yè)，或嚴(yán)重時(shí)出現(xiàn)油管斷裂，造成機(jī)組落入井下，產(chǎn)生不必要的修井作業(yè)費(fèi)用。改進(jìn)意見：油管材料的耐腐蝕性是影響油管可靠的主要因素，加強(qiáng)其管壁內(nèi)外的抗腐蝕性。施工時(shí)一定要仔細(xì)檢查油管質(zhì)量，并且在下入油管時(shí)要小心與電纜的距離，防止對(duì)電纜造成機(jī)械損傷。安裝時(shí)，做好卸油器和油管的絲扣配合，防止造成漏失。2.3 本章小結(jié)通過對(duì)大慶油田一個(gè)5 年標(biāo)準(zhǔn)得潛油電泵機(jī)組檢泵資料的整理、統(tǒng)計(jì)及對(duì)比分析，找到目前主要的故障模式，將故障模式分為一級(jí)和二級(jí)故障進(jìn)行了詳細(xì)而系統(tǒng)的故障原因分類和分析，并對(duì)常見故障模式提出了相應(yīng)的改進(jìn)措施或可行性方案，以便減少元件設(shè)計(jì)不完善、操作失誤、管理使用不當(dāng)?shù)葘?dǎo)致的故障發(fā)生，并為后續(xù)的故障樹建立做好基礎(chǔ)工作。3 潛油電泵系統(tǒng)的故障建立系統(tǒng)圖形并進(jìn)行分析通過以上分析建立潛油電泵系統(tǒng)的故障樹，識(shí)別導(dǎo)致故障的基本事件與人為失誤的組合，可為人們提供設(shè)法避免或減少導(dǎo)致故障基本原因的線索，從而降低故障發(fā)生的可能性。對(duì)導(dǎo)致災(zāi)害故障的各種因素及邏輯關(guān)系能作出全面、簡潔和形象的描述。便于查明系統(tǒng)內(nèi)固有的或潛在的各種危險(xiǎn)因素，為設(shè)計(jì)、施工和管理提供科學(xué)依據(jù)。使有關(guān)人員、作業(yè)人員全面了解和掌握各項(xiàng)防災(zāi)要點(diǎn)。便于進(jìn)行定性、定量分析和系統(tǒng)評(píng)價(jià)。建立出潛油電泵系統(tǒng)故障的詳細(xì)故障樹。鑒于系統(tǒng)故障樹過于龐大且各底事件過多，為了更直觀、簡練的分析，將系統(tǒng)故障樹進(jìn)行簡化，使故障的分析更集中并舍去了低故障概率事件，僅將影響元件和部件故障的主要因素列出。現(xiàn)給出簡化的故障圖：上圖中下角標(biāo)一致的X標(biāo)號(hào)用來代表同一影響因素?？梢詮南到y(tǒng)的角度看出頻繁出現(xiàn)的影響因素以及偶然出現(xiàn)的影響因素在系統(tǒng)中的比重所帶來的系統(tǒng)影響。下面我們將從故障的角度來看一下影響因素：從圖中我們可以看出，X01、X04、X28、X30、X31：都屬于環(huán)境及外界影響。X03：泵振動(dòng)過大。 X05、X32：是運(yùn)輸及施工損傷。X10：為潤滑油失效。 X16X21：代表潛油電泵的工作參數(shù)。X25、X36：是軸機(jī)械性能。X09、X15、X39、X41：表示各部分的配合精度差。X02、X06、X07、X08、X11、X12、X13、X14、X22、X24、X27、X34、X35、X38、X42：是材料及加工等缺陷。我們對(duì)故障進(jìn)行定性分析，要根據(jù)特定故障求取其最小割集或最小徑集，確定事件發(fā)生的故障模式、原因及其對(duì)頂事件的影響程度，為經(jīng)濟(jì)有效地采取預(yù)防對(duì)策和控制措施，防止同類故障發(fā)生提供科學(xué)依據(jù)。3.3 最小割集最小割集能表明系統(tǒng)的危險(xiǎn)性，每個(gè)最小割集都是頂事件發(fā)生的一種可能渠道。最小割集的數(shù)目越多，系統(tǒng)越危險(xiǎn)。根據(jù)前面關(guān)于最小割集的原理，利用布爾代數(shù)算法，可以得到潛油電泵系統(tǒng)故障的最小割集 19 組。具體如下所示：E1 = X01， X02， X03E2 = X01， X03， X04， X35， X16， X1 7， X1 8， X1 9， X20， X21E3 = X36， X37E4 = X01， X03， X04， X38， X16， X1 7， X1 8， X1 9， X20， X21E5 = X01， X39E6 = X03， X04， X14E7 = X04， X15E8 = X04， X05E9 = X01， X06， X16， X17， X18， X1 9， X20， X21E10= X01， X07E11= X04， X10， X22E12= X03， X25E13= X23E14= X31E15= X05， X26， X27E16= X09， X10， X11E17= X32E18= X33E19= X01， X05故障樹定性分析的目的是求出故障樹的全部最小割集，它反映了系統(tǒng)的全部故障模式，其中發(fā)生概率最大的故障模式就是其薄弱環(huán)節(jié)。從中可以看出，泵卡、頻繁啟停泵、電纜等線路的施工及起下電纜損傷、電網(wǎng)故障、分離器吸入口堵塞、泵軸斷裂和油管漏等都是導(dǎo)致潛油電泵系統(tǒng)故障的最主要原因。3.4 潛油電泵故障樹結(jié)果分析前面關(guān)于潛油電泵系統(tǒng)所作的故障樹分析：通過對(duì)故障樹的定性分析，共求出了 19 組最小割集，它反映了系統(tǒng)全部的故障模式，其中發(fā)生概率最大的主要是電機(jī)燒毀、電纜損傷、頻繁啟停泵、潛油泵軸斷裂、運(yùn)輸施工損傷等。再根據(jù)結(jié)構(gòu)重要度系數(shù)排序，我們可以看出在眾多底事件當(dāng)中，環(huán)境影響、含砂量過大、泵振動(dòng)過大和運(yùn)輸施工損傷是故障的主要因素。而最后通過分別使用常規(guī)方法和模糊數(shù)學(xué)的方法對(duì)故障樹的定量計(jì)算，就更能清晰地看出潛油電泵系統(tǒng)和各基本事件的可靠度及其波動(dòng)范圍，更好的掌握電泵機(jī)組的工作狀況。4 本文總結(jié)針對(duì)目前潛油電泵研究領(lǐng)域的薄弱環(huán)節(jié)，本文從系統(tǒng)的角度進(jìn)行分析，對(duì)潛油